通过算法改善示波器垂直分辨率

分组平均本质上也是一种数字滤波。样点抽取倍数越高，分辨率提升得越多。据某款示波器规格，当抽取倍数为16 时，可由8bit 提升到12bit。

同样，分组平均提升分辨率的代价是性能受损和波形失真：

1）高采样率和高垂直分辨率不可兼得。比如在8bit、40GSa/s 的示波器上要实现12bit 分辨率，处理后的采样率只能到2.5GSa/s 。要使处理后的采样率达到5GSa/s，分辨率只能提升到11bit。

2 ）示波器带宽和垂直分辨率也不可兼得。在上一条例子中，要实现 12bit 分辨率，带宽从4GHz 下降到500MHz。

3 ）工作在HiRes 模式下的示波器，使用者不能直接选择增强多少bit 分辨率，它随示波器的时间刻度动态变化。使用者不知道当前增强了多少分辨率、带宽下降到多少。

4 ）分组平均算法对抑制高斯白噪声有效果，而对于示波器ADC 的INL （积分非线性）引起的噪声没有抑制作用。

5 ）信号比较陡峭的边沿在HiRES 模式下，容易欠采样。例如信号边沿原本有16 个采样点，为了提高4bit分辨率，需要每 16 个点取平均。结果边沿只剩下 1 个样点。不少示波器以sin(x)/x 方式做内插，在欠采样的情况下会导致吉布斯现象，使本来正常的边沿出现过冲、振铃：

6 ）分组平均也会显著降低示波器波形更新率。

7 ）分组平均可以有条件地提升分辨率，却不能改善示波器的准确度。例如具有硬件12bit ADC 示波器的直流增益精度可以达到±0.5% 。采用过采样和线性降噪技术提升到12bit 分辨率的示波器，直流增益精度仍然是8bi ADC 示波器的水平：±2%

下图是三种测试场景，被测信号都是正弦波峰值附近存在一个微小变化。对波形做局部放大后的效果：

三、结论

无论什么形式的算法，在付出一定代价后，只是在数学意义上提升了垂直分辨率，测量微小信号的能力是有限的。当工程师身边只有8bit ADC 示波器的时候，可以通过这些方法来改善一下信噪比。当真正需要高分辨率、高准确度测试的场合，无疑还是需要具有真实硬件12bit ADC 的示波器。在12bit ADC示波器上也可以开启这类算法。软硬兼施，效果更好。